水电厂电气部分

四川大学网络教育学院乐山师范学院水力发电厂（3X1500KW）电气部分设计目录一、概述…………………………………………………………………（9）1.1工程概况………………………………………………………………（9）1.2其他资料………………………………………………………………（9)二、接入系统方式及设计方案选择…………………………………（10-12）2.1接入系统方式………………………………………………………（10）2.2电气主接线的基本要求……………………………………………（10）三、设计步骤…………………………………………………………（13-37）3.1发电机及变压器的选择……………………………………………（13）3.2短路电流计算………………………………………………………（17）3.3主要电气设备的选择及校验………………………………………（23）四、结论…………………………………………………………………（38）五、参考文献………………………………………………………………（39）六、设计体会………………………………………………………………（40）四川大学网络教育学院乐山师范学院一、概述1．1概况该电站位于某山区的一条水河流上，汇流面积为831平方公里。整个水利枢纽布置如图所示。充分利用当地的石料资源而建筑的堆(砌)石坝，坝高53米，水头38米，引用流量17秒立方：经2600米长的明渠将水流引至压力前池，再分配到每台水轮发电机组。经水能规划设选定装机为1500kW×3，共3台卧式水轮发电机组。该电站水库为不完全周调节，单级开发，以发电为主。年利用小时数4000小时。保证出力1500kW，多年平均发电量168×105kW.h。厂用电负荷：123KW左右。水轮发电机型号参数：型号：SFW118/64-6，PN=1500kW，UN=6.3kV，COSφN=0.8，IN=171.8A。旋转方向为俯视逆时针；Xd=0.12；额定转速nN=1000r/min。1.2其它资料年均最高气温：30℃，年均最低气温：1℃，多年平均雨量：1100mm，雷暴时数：40日/年，交通较方便，公路可直抵电站厂房，当地山势较缓，海拔高度约在800m左右，出线走廊易于确定。四川大学网络教育学院乐山师范学院五发电机侧接线方案的设计发电机侧接线，指的是从发电机到主变压器低压侧之间的接线方式，其中还有断路器、隔离开关等二次电气设备用于保护和测量一次设备。其接线方式应根据发电机的容量及水电站的作用进行设计。该水电站单机容量很小，所以一般不采用单元接线方式，单元接线是指发电机出来直接接变压器，发电机与变压器直接采用封闭母线，一般用于单机容量比较大的机组。单母线接线发电机功率的汇集和分配由一条汇流母线来完成，这种接线方式可靠性太差，且不利于厂用电从发电机母线上引出。采用单母线分段接线，除了分段隔离开关故障或检修需全站停电外，当一段母线及所接隔离开关故障或检修时，只需短时全站停电，将分段隔离开关断开，仍可保持另一段母线所接机组送电。发电机电压单母线断路器分段接线用断路器将单母线接线分段。这样，当一段母线及所接隔离开关故障时，分段断路器在继电保护装置的作用下，能自动将故障母线段切除，从而保证了正常段母线不间断供电，在一定程度上克服了单母线接线的缺点，提高了供电可靠性。发电机侧提供三种方案进行选择，方案一：单元接线；方案二：扩大单元接线；方案三：单母线接线。各方案的优缺点见附录（一）。1)单元接线选择单元接线是因为：单元接线简单，开关设备少，操作简单以及因不设发电机电压级母线，而在发电机和变压器之间采用封闭母线，使得在发电机和变压器低压侧短路的几率和短路电流相对于具有发电机电压级母线时，有所减小。但它存在如下技术问题：①当主变压器或厂总变压器发生故障时，除了跳主变压器高压侧出口断路器外，还需跳发电机磁场开关。②发电机定子绕组本身故障时，若变压器高压侧断路器失灵拒跳，则只能通过失灵保护出口启动母差保护或发远方跳闸信号使线路对侧断路器跳闸；若因通道原因远方跳闸信号失效，则只能由对侧后备保护来切除故障，这样故障切除时间大大延长，会造成发电机、主变压器严重损坏。发电机故障跳闸时，将失去厂用电源，而这种情况下备用电源的快速切换极有可能不成功，因而机组面临厂用电中断的威胁。2）扩大单元接线当发电机单机容量不大，且在系统备用容量允许时，为了减少变压器台数和高压侧断路器数目，并节省配电装置占地面积，将2台变压器与一台变压器连接，组成扩大单元接线。它存在的技术问题与单元接线基本相同。3）单母接线可保证电源并列工作，又能让任意一条通往变压器的线路都可以从任一个电源获得电能。尽可能使负荷均衡地分布于各个线路上，以减少过多功率在母线上的传输。接线简单，清晰、设备少、投资也小、运行操作方便。但是可靠性及灵活性稍差点，母线检修时会使得三台发电机停止运行。综合上述所有方案，对于发电机侧的接线方式，根据所给的资料考虑，应选择单母线接线。四川大学网络教育学院乐山师范学院六升高压侧接线方案的设计升高压侧接线方式指的是从主变压器出来到出线回路之间的连接方式，其接线方式对系统的运行方式、主要电气设备的选择及二次设备的配置都有重大影响。升高压侧的接下方案很多，有单母线接线、单母带旁路母线、双母线接线、双母分段接线、双母分段带旁路母线及桥型接线多角型接线等。根据各种接线方案的特点，结合本水电站的实际情况，拟定三种方案进行比较选择，三种方案分别是一台半断路器、桥型接线和单母线接线，各接线方式的接线图及优缺点见附录(二)。1）一台半断路器接线一台半断路器接线，运行的可靠性和灵活性很高，在检修母线或回路断路器时不必用隔离开关进行大量的倒闸操作，并且，调度和扩建也方便。在一台半断路器中，通常有两条原则：①在电源线宜与负荷线配对成串，即要求采用在同一个“断路器串”上配置一条电源回路和一条出线回路，以避免在联络断路器发生故障时，使两条电源回路或两条出线回路同时被切除。②配电装置建设初期仅两串时，同名回路宜分别接入不同侧的母线，进出线应装设隔离开关。当一台半断路器接线达三串及以上时，同名回路可接于同一侧母线，进出线不宜装设隔离开关。2）桥型接线桥形接线可分为内桥形接线和外桥形接线两种。内桥形接线在线路故障或切除、投入时，不影响其余回路工作，并且操简单：而在变压器故障或切除、投入时，要使相应线路短时停电，并且操作复杂。因而该线一般适用于线路较长（相对来说线路的故障概率较大）和变压器不需要经常切换的情况。外桥形接线在运行中的特点与内桥形接线相反，适用于线路较短和变压器需要经常切换的情况。当系统中有穿越功率通过主接线为桥形接线的发电厂或变电站高压侧时，或者桥型接线的2条线路接入环形电网时，都应该采用外桥接线。因为如果采用内桥接线，穿越功率通过3台断路器，继电保护配置复杂，并且其中任一台断路器断开时都将使穿越功率无法通过，或使环形电网必须开环运行。通过上述的观点和原始资料，应选用内桥形接线。3）单母线接线单母线接线，母线既可保证电源并列工作，又能使任一条出线都可以从任一个电源获得电能。各出线回路输送功率不一定相等，应尽可能使负荷均衡地分配于各出线上，以减少功率在母线上的传输。接线简单，操作方便、设备少、经济性好，并且，母线便于向两端延伸，扩建方便。而缺点是可靠性差，调度不方便。综合上述三个方案，比较得出结论，应选用单母线接线。四川大学网络教育学院乐山师范学院七最优电气主接线的选择电气主接线是指发电厂或变电所中汇集、分配电能的电路，通常称一次接线，是由断路器、隔离开关、互感器、避雷器、发电机等电气设备按照一定的顺序连接而成的。它是发电厂、变电所电气设计的重要部分，也是构成电力系统的重要环节。主接线的确定对电力系统整体及发电厂、变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置布置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。因此，必须处理好各方面的关系，全面分析有关影响因素，通过技术经济比较，合理确定主接线方案，决定于电压等级和出线回路数。电气主接线的设计原则：（1）可靠性；安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠和电能质量是对主接线最基本的要求。在设计时，除对主接线形式予以定性评价外，对于比较重要的水电站需要进行定量分析和计算。（2）灵活性；主要包括操作的方便性、调度的方便性和扩建的方便性。主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行方式的转换。不仅正常运行时能安全可靠地供电，而且无论在系统正常运行还是故障或设备检修时都能适应远方监控的要求，并能灵活、简单、迅速地倒换运行方式，使停电时间最短，影响范围最小。显然，复杂地接线不会保证操作方便，反而使误操作机率增加。但是过于简单的接线，则不一定能满足运行方式的要求，给运行造成不便，甚至增加不必要的停电次数和停电时间。（3）经济性；主要包括：节省一次投资、占地面积少和电能损耗小三个方面。在主接线设计时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。欲使主接线可靠、灵活，将导致投资增加。所以必须把技术与经济两者综合考虑，在满足供电可靠、运行灵活方便的基础上，尽量使设备投资费用和运行费用为最少。根据上面两节，清楚知道选择的结果，那就是该电站选用发电机侧选用单母线接线。升高压侧选用内桥接线。水力发电厂的特点是，一般距负荷中心较远，基本上没发电机电压负荷，几乎全部电能用升高压送入系统；水力发电厂的装机台数和容量，是根据水能利用条件一次性确定的，不必考虑发展和扩建；水力发电厂附近地形复杂，电气主接线尽可能简单，使配电装置紧凑。此外，水轮发电机启动迅速、灵活方便，一般正常情况下，从启动到带满负荷只需4-5min，事故情况下还可能不到1min。因此，水电厂常被用作系统备用和检修备用。对具有水库调节的水电厂，通常在丰水期承担系统基荷，枯水期多带尖峰负荷。很多水电厂还担负着系统的调频、调相任务。因此，水电厂的负荷曲线变化较大、机组开停频繁，其接线应具有较好的灵活性。再根据原始资料，查阅电力《工程电气设计手册》，设计出最终电气主接线图，见附录（三）。所示为一小型水力发电厂的主接线。水电厂以三台30MW发电机组（发电机出口电压为10.5KV）以发电机-变压器单元接线直接把电能送至110KV电力系统，110KV侧为单母接线，实现三条电源进线和两条出线配对。四川大学网络教育学院乐山师范学院八主要电气设备的选择根据原始资料可知，本设计无需对变压器进行选择，选择其它电气设备时，只需按工作条件进行选择，不需要进行短路电流的计算和短路校验。正确选择电气设备是电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电器选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电气设备。尽管电力系统中各种电器的作用和工作条件并不一样，具体选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求确是一致的。本设计，电气设备的选择包括：短路器和隔离开关的选择，电流、电压互感器的选择、避雷器的选择，导线的选择。电气设备选择的一般原则：1、应满足正常运行、检修、断路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展的需要2、应按当地环境条件校验3、应力求技术先进与经济合理4、选择导体时应尽量减少品种5、扩建工程应尽量使新老电气设备型号一致6、选用新产品，均应具有可靠的实验数据，并经正式鉴定合格电气设备选择的条件：尽管各种电气设备都有自己的特点，有各自的校验标准，但是电气设备的选择都按正常工作条件进行选择。（1）额定电压规定一般电气设备允许的堆高工作电压电压为电气设备的1.1—1.15倍，而电气设备所在电网的运行电压波动一般不超过电网额定电压的1.15倍，因此，在选择电气设备时，一般按照电气设备的额定电压NU不低于装置地点的额定电压NSU的条件选择，即NNSUU(2)额定电流电气设备的额定电流NI是指在额定环境温度下，电气设备的长期允许电流。NI应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流mIax，即mINaxI（3）环境条件电气设备的选择与环境条件，如温度、风速、污秽等级、海拔高度等，都有关